Es ist vollbracht

Nach einer langen Planungsphase – hier gezeigt immer wieder mit Render-Bildern aus dem Planungsprogramm Studio – und einer Bestell- und Bauphase ist es nun so weit. Gestern habe ich das letzte Teilmodell, die Ionentherapie PaTSy, im beleuchteten Video mit ein paar Erklärungen gezeigt. Hier ist sie, die Gesamtübersicht!

Die Gesamtansicht der Beschleunigeranlage LAToyA CoRE.

Mittlerweile sind alle Komponenten aufgebaut und auf der blauen Acrylglasplatte angeordnet. In Gelb links unten das B-Mesonen-Experiment BIFoCal (B-Meson Identification and Forward Calorimeter) für Präzisionsmessungen der CP-Verletzung im B-Mesonen-System, dahinter in weiß, schwarz und dunkelrot der Kollisionsdetektor PASTA CoDe (Physics And Semiconductor Application Collision Detector), das Entdeckungsinstrument, in dem zum Beispiel nach neuen Teilchen gesucht würde. Dahinter als weißes Becken mit gelbem Geländer außen und schwarzem innen sowie langem Strahlrohr, von rechts kommend, das Transmutationsexperiment FaNTASy (Fast Neutron Transmutation Accelerator-driven System). Oberhalb der Bildmitte die Ionentherapie mit Gantry, genannt PaTSy (Particle Therapy System). Der Kran steht auch noch da – und vor ihm die Beschleunigereinheit AMUR (Acceleration Mechanism Unit for storage Ring) und noch weiter vorne die Synchrotron-Strahlenquelle USSyRI (Ultrabrillant Source of Synchtrotron-Radiation using Interferometry) mit Undulator und Experimentierhütte. Im Inneren des Rings der Kontrollraum und der Vorbeschleuniger IMBABS (Injection Mechanism for Balls of Acrylonitrile Butadiene Styrene).

Auf den Ersatz-Magneten für den Ring liegt zwischen FaNTASy und PaTSy das Betriebsbuch, wie es die Genehmigung verlangt. Das wird auch regelmäßig geführt – für mich macht das nicht nur wegen der Anlage selbst Spaß, sondern auch, weil es ein Dr.-Who-Notizbuch ist.

Ca. 6300 Teile sind verbaut, davon drei Lego-Motoren, zwei Batterie-Boxen, dazu diverse Kabel, Powerbricks und LED-Steine von Light Stax. Derzeit läuft das Verfahren zur Genehmigung des erweiterten Betriebs. Ein paar Ideen habe ich freilich noch, die ich gerne umsetzen würde – klein gedacht eine Platte, die den Kabelsalat zwischen BIFoCal und USSyRI ein bisschen ordnet. Etwas größer gedacht könnte das Institutsgebäude des Instituts für Lego-Beschleuniger-Physik (ILBP) ganz rechts angebastelt werden – ein Technic-Brick mit Pins drin ist dafür installiert, ein Plan dafür existiert auch schon. Mehr in Richtung Zukunftsmusik geht ein Auditorium am Beschleuniger, dort, wo gerade das Betriebsbuch liegt, sowie ein Gebäude des Instituts für therapeutischen Einsatz von Lego (ITEL), dort, wo gerade der Kran steht. Die eigentliche Anlage ist aber nun fertig.

Die Technische Universität von Noppenstein (TUN) freut sich über ihre neue Forschungseinrichtung, und an der KAT (Klemmbaustein-Akademie für Technik) werden auch schon Kurse für Lego-Strahlenschutzbeauftragte vorbereitet.

Und doch noch eins…

Eigentlich hatte ich mir vorgenommen, meine Mediathek hier in Sachen Speicherplatz zu schonen, indem ich künftige Videos nachbearbeitet auf Youtube veröffentliche und dann hier verlinke. Da aber nun (bis auf acht Ecken des Teppichs im Bestrahlungsraum – da fehlen noch je vier Tile modified 2×2 in Dreiecksform in dark turquoise bzw. medium azure) auch die Ionentherapie fertig ist, muss ich doch nochmal…

Da ein paar Fragen aufkamen, als ich das Modell und das Video davon meinen Freunden gezeigt habe: Ionentherapie ist eine Form der Strahlenherapie in der Behandlung von Krebs. Dabei werden beschleunigte Protonen oder auch schwerere Atomkerne als Strahlung verwendet. Um zu erklären, warum das besonders ist, mache ich einen kleinen Exkurs in die „konventionelle“ Strahlentherapie.

Konventionelle Strahlentherapie verwendet beschleunigte Elektronen und bestrahlt den Tumor entweder mit den schnellen Elektronen oder mit der Strahlung, die bei deren Abbremsen in einem Metalltarget entsteht. Diese Bremsstrahlung entspricht besonders harter Röntgenstrahlung. Damit umgebendes Gewebe geschont wird und nur die Tumorzellen von der Strahlung zerstört werden, bestrahlt man meist aus mehreren verschiedenen Richtungen – eine bewegliche Strahlführung (Gantry) wird also benutzt. Brems- und Elektronenstrahlung richten aber auf ihrem Weg durch den Körper, während sie sich abschwächen, immer weniger Schaden an – würde ich aus einer Richtung bestrahlen und der Tumor sitzt in zehn Zentimetern Tiefe unter der Haut, würde die Haut und das zwischen Tumor und Haut liegende Gewebe mehr Strahlung abbekommen als der Tumor selbst. Daher die bewegliche Strahlführung.

Alternativ können auch radioaktive Stoffe genutzt werden – gebräuchlich sind Afterloading und das sogenannte Gamma-Knife. Im ersteren Falle wird (meistens in einer vorhandenen Körperhöhle) ein Applikationsschlauch gelegt, damit weder der Patient noch der Arzt lange der Strahlung ausgesetzt sind, bevor der Strahler am Ort des Tumors ist, und dann automatisch in dem Schlauch ein Strahler dorthin bewegt, dort kurz belassen und wieder zurückgezogen. Das eignet sich natürlich nur für Tumore, die nah an natürlichen oder chirurgisch schaffbaren Kanälen liegen. Das Gamma-Knife widerum setzt auf viele „kleinere“ Strahler, deren Strahlen sich an einem Punkt kreuzen – und diesen Punkt richtet man auf den Tumor. Wieder kriegt von jedem Strahler von außen die Haut mehr ab als der Tumor, aber durch das Überkreuzen wird dann doch der Tumor vor allem, das umgebende Gewebe weniger bestrahlt.

Daneben gibt es noch Therapie mit offenen, im Rahmen von Medikamenten in den Körper gebrachten radioaktiven Stoffen, zum Beispiel radioaktives Iod bei Schilddrüsenkrebs. Natürlich kriegt auch der Rest des Körpers dabei etwas ab, bevor das Iod in der Schulddrüse angekommen ist – aber das funktioniert dennoch recht gut.

Ionentherapie ergänzt die genannten Werkzeuge nun. Denn es gibt durchaus tief im Körper liegende Tumore, die von Gewebe umgeben sind, das unbedingt geschont werden muss. Es wäre also echt schön, wenn es Strahlung gäbe, die auf ihrem Weg zum Tumor wenig Schaden anrichtet, am Tumor selbst aber auf kurzer Strecke fast alle ihre Energie deponiert und somit an den Tumorzellen einen großen Schaden anrichtet. Elektronen, Bremsstrahlung, Gammastrahlung, sie alle verhalten sich nicht so. Wäre doch schön, wenn… indes, solche Strahlung gibt es. Atomkerne wie Protonen (Atomkern des Wasserstoffs) oder Kohlenstoff-Kerne… eigentlich alle Atomkerne haben nämlich die Eigenschaft, dass sie bei bestimmter Geschwindigkeit (oder eher Bewegungsenergie) „minimalionisierend“ sind. Sie bewegen sich also mit großem Tempo durch zum Beispiel gen Körper und geben nur ganz wenig Energie ab. Wären sie schneller, würden sie mehr Schaden anrichten, wären sie langsamer, ebenfalls.

Wenn man nun die Geschwindigkeit bzw. Bewegungsenergie der Ionen richtig wählt und sehr genau weiß, wie viel Gewebe zwischen der Haut und dem Tumor liegt, kann man dafür sorgen, dass die Ionen im zu schonenden Gewebe „minimalionisierend“ sind, aber mit diesem geringen Energieverlust genau am Beginn des Tumors so langsam werden, dass sie nicht mehr minimalionisierend sind – und binnen kurzer Strecke all ihre Energie abgeben und dabei am Tumor enormen Strahlenschaden anrichten. Diesen „Berg“ oder „Gipfel“ der Energieabgabe nennt man den Bragg-Peak. Den Bragg-Peak macht sich die Ionentherapie zu nutze – Protonen, Kohlenstoff-Ionen oder auch andere Atomkerne werden passgenau so schnell auf den Körper gestrahlt, dass sie beim Eindringen und bis zum Beginn des Tumors minimalionisierend sind und dann die Tumorzellen – bildlich gesprochen – regelrecht verbrennen. Leider ist die Methode aufwändig – man braucht dafür einen Teilchenbeschleuniger, und zwar einen etwas größeren als für konventionelle Strahlentherapie mit Linearbeschleuniger.

Natürlich kann man immer besser werden. Wie bei konventioneller Strahlentherapie kann man umgebendes Gewebe auch noch zusätzlich schützen, in dem man nacheinander von verschiedenen Seiten einstrahlt, die Strahlen haben dann ihren Bragg-Peak im Tumor und kreuzen sich im Tumor. Ionen ablenken ist aber ein bisschen aufwändiger als Elektronen ablenken…

Wenn Ihr nun nur Bahnhof verstanden habt, erklären Euch zum Beispiel die Seiten des Heidelberger Ionentherapiezentrums oder auch der Wikipedia-Eintrag dazu gerne mehr oder besser, als ich das hier kann. Genau vom Gantry, der beweglichen Strahlführung des Heidelberger Ionentherapiezentrums, habe ich mich aber inspirieren lassen, als ich an meinem Beschleuniger LAToyA CoRE das Particle Therapy System PaTSy gebaut habe. Und genau dieses ist heute fertig geworden:

PaTSy, erster Eindruck mit Original-Ton. Nachsynchronisieren haben wir – weil ich es einfach dringend online bringen wollte – noch nicht angefangen. Am Ende ein kleiner Flug vom Gantry zum Bestrahlungsraum, um den sich die Bestrahlungsvorrichtung dreht.

[KuK] A Kind of Magic

Der Bestrahlungsraum von PaTSy. Alles in dem Zylinder, um den der Strahl geführt werden wird, ist eng. Platz für Licht? Fr. Dr. Minischmidt hat ihre Zweifel – aber sie beabsichtigt zu zaubern!

Ich habe das Gantry, also die bewegliche, um den Patienten drehbare Strahlführung der Ionentherapie, vor meiner Idee zu Light Stax entworfen. Dementsprechend ist kein Platz für Licht und erst recht nicht für stromleitende Plates oder Kabel vorgesehen. Es war ein wenig ein Act, das nun hinzubekommen…

Aber es hat geklappt!

Mit dem letzten noppenbehafteten Feenstaub des ausgehenden Aufbautages hat Fr. Dr. Minischmidt es geschafft! Im Bestrahlungsraum von PaTSy ward es Licht!

Auf dem Stahlrad

Fast jeder kennt ja das berühmte Bild der Arbeiter, die auf einem Stahlträger über New York City beim Bau eines Wolkenkratzers ihre Pausenbrote essen. Heute ergab sich ein ähnliches Bild an meiner Beschleunigerbaustelle…

„Mach‘ mal ein Foto wie das aus New York, Clark!“

Die Damen für die schweren Aufgaben machten gerade Pause und baten ihren Kollegen, ein Bild zu machen – leider ist das Rad ein wenig klein, so dass der Fotograf sich etwas überlegen musste, um alle drei auf das Foto zu kriegen – zum Glück hat er gewisse Talente, ebenso wie die drei Damen für die schweren Lasten.

Während die ersten Elektronik-Tests des (gelben!) B-Mesonen-Experiments „BIFoCal“ laufen, korrespondiert Fr. Dr. Minischmidt auf der Baustelle für das Ionentherapie-Gantry mit den Lieferanten für Komponenten des Beschleunigermoduls „AMUR“. Die regelbare Batterie-Box ist nun auf dem Weg.

LAToyA CoRE – Fortschritte

Die Baustelle sieht aus, als wären jede Menge Lego-Teile in Ziplock-Beuteln vom Himmel gefallen und dazwischen bilde sich langsam ein Lego-Modell. Naja, vom Himmel gefallen sind sie nicht und für den aktuellen Stand ist das Attribut „langsam“ vielleicht nicht ganz korrekt, wenn man bedenkt, dass ich erst ein (in Baden-Württemberg langes) Wochenende dran baue.

Noch immer ist der Ring nicht betriebsbereit, da das Beschleunigermodul AMUR nicht aufgebaut ist. Anstelle des Moduls ist im Moment einfach ein Stück gerades Strahlrohr auf beiden Ringen eingebaut, um ein bisschen mit den Kugeln rumspielen zu können. Wo es aber sehr wohl voranging, ist die andere Seite des Ringes. Gegenüber von AMUR auf dem Ring befindet sich PASTA CoDe, der Physics And Semiconductor Technology Application COllision DEtector. PASTA CoDe wurde heute aufgebaut – und einen Lichttest habe ich auch schon gemacht:

Lichttest an PASTA CoDe – zwei Systeme wurden gleichzeitig getestet.

Im Kollisionsdetektor PASTA CoDe sind zwei Licht-Systeme eingebaut: Einmal steckt in einem Einschub von der Ring-Innenseite ein Light Stax Powerbrick, der bei Betrieb des Ringes auf Schallauslösung stehen wird. Wenn also die Kugeln geräuschvoll durch den Detektor rollen, blinkt’s an der Außenseite rot, innen blau. Auch ein wenig rotes und blaues Licht sind im Inneren des Detektors zu sehen und scheinen dann wohl raus.

Da natürlich die Erzeugung von Synchrotronstrahlung in USSyRI und auch die Einstrahlung von Neutronen aus dem Konversionstarget in FaNTASy von den auf dem Beschleuniger umlaufenden Teilchen ausgelöst werden, gehen zwei Kabel an der Außenseite von PASTA CoDe ab – eines führt zu FaNTASy und löst dort das Licht an der Einstrahlstelle für die schnellen Neutronen aus, das andere führt andersherum um den Ring zu USSyRI und wird die Synchrotron-Strahlungs-Erzeugung sowie das davon untersuchte Target pulsierend leuchten lassen.

Das zweite System mit Licht in PASTA CoDe ist der Kollisionstrigger. Hier wird ein bewegungsaktivierter Powerbrick von Light Stax von einer Lego-Stoßdämpfer-Feder gehalten. An einem kleinen Griff kann man das mit flachen Lego-Kacheln in die Basis von PASTA CoDe eingebaute System in den Strahl des inneren Rings schieben – und wenn dann Kugeln darauf treffen, wird der Powerbrick bewegt, löst aus – und es wird Licht. An diesem System hängen die im obigen Bild stark überstrahlenden gelben Leuchten am Kopfende von PASTA CoDe. Ob das mit der Bewegungsaktivierung so funktioniert, wie ich mir das vorstelle, weiß ich noch nicht. Durch den Widerstand der Legosteine auf der Platte und die Frage, ob die Kugeln genug Power mitbringen, um den Stein weit genug zu bewegen, damit er auslöst, muss ich das ausprobieren. Wenn es nicht funktioniert, kommt das Ganze halt an ein anderes Auslösesystem ran.

Der Baustand ist dementsprechend aktuell:

  • 16 von 16 Ringsegmenten, 3 von 4 geraden Ringelementen sind gebaut.
  • 10 von 10 einfachen Einbauten im Ring sind gebaut, 2 von 2 komplexen Einbauten im Ring sind ebenfalls fertig.
  • 4 von 4 Experiment-Ankopplungen an den Ring sind gebaut: für USSyRI, PASTA CoDe, FaNTASy und PaTSy.
  • 3 von 5 fünf komplexen Experimentiereinrichtungen sind gebaut: USSyRI, PASTA CoDe und FaNTASy.
  • Was noch fehlt:
    Zwei komplexe Experimente: Das Ionentherapie-Gantry PaTSy und das B-Mesonen-Experiment BIFoCal.
    Ein Beschleunigermodul AMUR.

Es geht also voran. Wenn AMUR gebaut ist, kann ich auch ein erstes Testvideo machen. Allerdings hängt noch von der Lieferung einer regelbaren Batteriebox ab, ob ich zuerst AMUR mit dieser Box baue, oder mich zuerst mit PaTSy und BIFoCal befasse. Insgesamt wird’s aber langsam übersichtlicher.

USSyRI – Firstlight

Heute nach der Arbeit war ich so im Baufieber, dass ich nicht laufen gegangen bin. Nun ja, da ich langsam wieder aufbaue und gestern und auch vorgestern jeweils deutlich über 40 Kilometer Rad zum Büro und zurück gefahren bin, war das vielleicht gar nicht unvernünftig. Der Grund war aber nicht die Vernunft, sondern Baufieber!

Hier ist das Ergebnis: Die Experimentierhütte der Synchrotron-Strahlenquelle USSyRI. Ich habe sie nicht nur aufgebaut in der neuen Form, sondern auch schon die Leuchten installiert.

Natürlich ging es nicht ohne einen Lichttest ab. In der Hütte gibt es zwei Leucht-Systeme: Das eine stellt die Beleuchtung des Raumes für die Experimentatoren dar, damit sie sehen was sie tun. Das andere… nun, das soll in Zukunft vom Geräusch der umlaufenden Kugeln gesteuert pulsieren, für den Moment habe ich es aber nur im Dauerbetrieb getestet. Hier beleuchtet ein Leuchtstein das zu untersuchende Objekt von unten durch ein Loch in einer Lego-Platte quasi von innen heraus… klingt abstrakt? Hier sind Bilder!

Leider schließt das Dach von USSyRI – nicht wegen der Kabelführung, sondern wegen etwas Härte in den Klapp-Platten – nicht ganz dicht. Aber damit kann ich leben!

Schritte – erste, weitere und generelle

Mein Teilchenbeschleuniger in seiner neuen Ausbaustufe LAToyA CoRE geht nun in die neue Phase des Aufbaus. Dabei ergeben sich Fragen…

Hierbei gibt es drei Typen von Schritten. Im ganz großen Rahmen sind es drei Schritte: Entwurf im Programm Studio, Bestellung der Lego-Teile und dann der Aufbau. Den ersten dieser drei Schritte habe ich ja bereits abgeschlossen, sonst hätte es die Render-Bilder der fertigen Anlage gar nicht gegeben. Der zweite Schritt wurde schon vor einiger Zeit gestartet. Er ist nun fast abgeschlossen – zwei Pakete stehen noch aus, der Rest ist da. Es fehlen nur noch wenige Teile, und die sind unterwegs. Eines davon ist freilich wichtig, kann aber nachträglich eingebaut werden. Es hat also nun der dritte Schritt begonnen: Der Aufbau!

Der Tower, wie er Teil von LAToyA Testbetrieb und LAToyA Phase II war und von LAToyA CoRE sein wird, rechts im Bild. Rechts unten und oben im Bild PASTA CoDe bzw. AMUR in der Version von LAToyA Phase II, die noch umgebaut werden muss. Links im Bild ist zwar noch der eine Ring von LAToyA Phase II… aber in der Mitte wachsen schon die Ring-Einbauten für LAToyA CoRE: zwei zusätzliche Bälle-Behälter und zwei geknickte Konnektoren.

Der erste Schritt des Aufbaus ist bereits getan, genau genommen sind es sogar die ersten vier: Ich habe zwei Bälle-Behälter oder auch Teilchen-Reservoirs aus dem Bau-Abschnitt LAToyA CoRE gebaut, und zwei 135°-Konnektoren, die außen dran hängen. Somit sind die ersten Schritte des Aufbaus gemacht.

Allerdings steht neben den „großen“, abstrakten Schritten der Entwicklung von LAToyA CoRE und den Bauabschnitten, also auch „Schritten“, in denen Untermodelle aufgebaut werden, noch eine weitere Klasse von Schritten: Einzelne Aufbauschritte der Untermodelle. Diese Schritte entsprechen den Seiten einer Bauanleitung, wie sie Lego-Modellen beiliegt. Während ich LAToyA CoRE zusammengeklickt habe, habe ich nicht auf die richtige Reihenfolge geachtet. Teils habe ich ad hoc „untere“ Schichten des Baus geändert, weil es erforderlich war, und so ist die Teilereihenfolge wie Kraut und Rüben. Was ich nun parallel zum Aufbau der einzelnen Bauabschnitte mache: Ich zerlege sie in kleinere Bauabschnitte, handlich klein, wie sie in einer (fortgeschrittenen) Lego-Anleitung eine Seite bilden würden.

Diese Schritte kann man unter dem englischen Namen „Steps“ im Programm Studio zusammenbauen. Ich stelle Teile der nächsten Bauschicht zusammen, baue sie auf, mache sie zu einem „Step“ im Programm und blende sie dann aus. Danach baue ich den nächsten Schritt und verfahre genauso. Daraus ergibt sich, dass ich nach Aufbau des gesamten Modells, wenn ich das alles diszipliniert durchhalte, relative einfach eine Anleitung für den Bau von LAToyA CoRE generieren kann – und die kann dann jeder nutzen, der möchte und sich die Teile kauft. Denn auch wenn ich glaube, dass LAToyA CoRE in dieser Form bislang einzigartig ist, finde ich doch, ich sollte das Modell jedem zu bauen, zu erweitern und zu nutzen ermöglichen, der Freude dran hat – schließlich basiert LAToyA Testphase, das Geschenk meines Mannes zu meinem 40., auch auf einem Modell, das ein andere im Programm Studio erstellt hat.

Und Klemmbausteine sind cool. Physik ist auch cool. Gemeinsam sind sie unschlagbar!